言語学習と単語習得の研究におけるヴェルニッケとブロカの領域の経頭蓋直流刺激(tDCS)

要約

ここでは、研究を目的とした精神および神経言語実験に経頭蓋直流刺激を用いるプロトコルについて、自然主義的でありながら完全に制御された方法で、単語学習における人間の脳の皮質領域の役割について説明する。結果を評価するための行動手順の包括的なセット。

要約

言語は、人間の脳の非常に重要でありながら、あまり理解されていない機能です。言語理解における脳活性化パターンの研究は豊富であるが、しばしば批判的に欠けているのは、脳領域が特定の言語機能に関与しているという因果的証拠である。人間の脳の因果関係を非侵襲的に研究するための神経生理学的ツールの不足。近年、人間の脳の経頭蓋直流刺激(tDCS)の使用が急速に増加しており、刺激された脳領域の状態を調節できる簡単で安価で安全な非侵襲的な技術(興奮をシフトすることによって/阻害閾値)は、特定の機能に対するその特定の寄与の研究を可能にする。主に運動制御に焦点を当てているが、tDCSの使用は、より高い認知機能に関する基礎研究と臨床研究の両方でより広く普及しつつあるが、その適用の手順は変変なままである。ここでは、心理言語学的単語学習実験におけるtDCSの使用について述べる。我々は、人間の脳の左半球におけるブロカとウェルニッケのコア言語領域の陰極およびアノーダル刺激の適用のための技術と手順を提示し、バランスのとれた心理言語刺激のセットを作成する手順を説明し、制御されながらも自然主義的な学習体制、および学習成果とtDCS効果を評価するための包括的な技術セット。tDCSアプリケーションの一例として、学習セッションの前にウェルニッケの領域の陰極刺激が単語学習効率に影響を与える可能性があることを示す。この影響は、学習直後に存在し、重要なことに、刺激の物理的影響が消耗した後に長期間保存され、tDCSが人間の脳内の言語記憶と表現に長期的な影響を及ぼす可能性があることを示唆している。.

概要

人間の言語機能の神経生物学的メカニズムはまだ十分に理解されていない。私たちのコミュニケーション能力の基盤として、このユニークな人間の神経認知特性は、私たちの個人的および社会経済的な生活の中で特に重要な役割を果たしています。言論と言語に影響を与えるあらゆる赤字は、被災者にとって壊滅的であり、社会にとって高価です。同時に、診療所では、音声欠損(失語症など)の治療手順は、少なくとも関与する神経生物学的メカニズムの理解が不十分なため、最適でないまま^{である1。}研究では、最近の出現と神経イメージング法の急速な開発は、活性化パターンを記述する複数の発見につながっています。しかし、因果関係の証拠がまだ欠けていることがよくあります。さらに、脳の言語領域は、因果的証拠を提供することができる主流の神経刺激アプローチの適用のためにやや最適に位置し、最も重要なのは経頭蓋磁気刺激技術(TMS)である。シータバースト刺激などのオフラインTMSプロトコルは、刺激のポイントに筋肉の近接による痛みを引き起こす可能性があるのに対し、「オンライン」TMSプロトコルは、刺激から音のアーティファクトを導入することができます。言語刺激プレゼンテーション².TMSは、このような不便にもかかわらず言語研究で広く使用されているが、歓迎の代替手段は、他の刺激方法、特に経頭蓋直流刺激(tDCS)によって提供されてもよい。近年、tDCSは、そのアクセシビリティ、使いやすさ、相対的な安全性、そしてしばしばむしろ顕著な結果3のために、その使用の顕著な成長を見ています。神経活動に対するtDCSの影響を支える正確なメカニズムは完全には理解されていないが、主流の見解は、少なくとも低強度レベル(通常は15〜60分間1-2 mA)では、それ当たり神経励起または阻害を引き起こさないという。しかし、代わりに、脱極または超分極に向かってグレード化された方法で休止膜電位を調節し、励起閾値を上下にシフトし、それによって神経系が他の事象による変調の影響を多かれ少なかれ受けやすくする。状態または動作^4,5.これまでに報告されたアプリケーションのほとんどは、運動機能6および/または運動系の欠陥に焦点を当てているのに対し、それはますます高レベルの認知機能とそのそれぞれの障害に適用されています。音声と言語への応用が増加しており、主に脳卒中後失語症7、8、9の回復を目的とした研究において、これまでのところ、その結果に関して混在した結果をもたらした。治療の可能性、刺激部位および半球、および最適な現在の極性。この研究として、特に正常言語機能の認知神経生物学におけるtDCSの応用は、まだ初期段階にあり、少なくともコア言語コルチスを刺激するための手順を説明することが重要である(最も重要なのはWernickeのとブロカの領域)は、現在のレポートの主な目的の一つであるtDCSを使用しています。

ここでは、単語学習実験における言語領域へのtDCSの応用について考察する。一般に、単語学習の場合は神経言語実験の一例として取り上げられ、同じ領域を対象とする他のタイプの言語実験では、手順のtDCS部分が実質的に変化してはならない。しかし、この機会を利用して、現在のプロトコル記述の第2の主な目的である単語取得実験における主要な方法論的考慮事項を強調する。言語コミュニケーションスキルの中核をなすユビキタスな人間の能力である単語の獲得を支える脳のメカニズムは、ほとんど未知^の10のままである。画像を複雑にすると、既存の文献は、実験プロトコルが単語の獲得を促進する方法、刺激パラメータを制御する方法、および学習結果を評価するために使用されるタスクで大きく異なります(例えば、Davis et al.¹¹参照)。以下では、高度に制御された刺激とプレゼンテーションモードを使用し、自然主義的な文脈主導の新しい語彙の獲得を確保するプロトコルについて説明する。さらに、私たちは、学習直後と一晩の統合段階の直後の両方で、異なるレベルで行動的に結果を評価するために、タスクの包括的なバッテリーを使用しています。これは、言語領域のシャムとカソードtDCSと組み合わされ(我々はウェルニッケの領域刺激を使用して特定の例を作る)、基礎となる神経プロセスとメカニズムに関する因果的証拠を提供することができます。

プロトコル

すべての手順は、サンクトペテルブルク州立大学、サンクトペテルブルクの地元の研究倫理委員会によって承認されました, すべての参加者から得られた同意を得ました.

注:すべての参加者は、インフォームドコンセントに署名し、tDCS刺激のための任意の禁忌がないことを証明するためにアンケートに記入する必要があります(4 x 1リング高精細経頭蓋直接電流刺激の使用に関するテクニックと考慮事項を参照してください)(HD-tDCS)ウィラマールと^同僚12)と視力の視力、人口統計、言語経験や利渡しなどの研究に関連する他のデータを収集します。後者の場合は、オールド^{フィールド13}によるセミナリーワークをお勧めします。

1. 被験者と実験環境

1. 典型的な言語実験では、すべての被験者が右利きで、言語障害、神経障害または精神疾患の記録がないことを確認する。母国語とバイリンガル/多言語のステータスを制御する必要があります。
2. 防音または少なくとも音減衰室ですべての測定を行います。無関係な音、騒音、人間の話し声などが性能に大きな影響を与え、データに影響を与える可能性があるため、遮音性は非常に重要です(図1)。
3. 不要な被験者実験者との接触による干渉を避けるため、画面、ヘッドフォン/スピーカー、および入力デバイス(キーボード、ボタンボックス)のみをチャンバー内に配置します。個人的な接触が必要な場合を除き、インターホンを介して実験者とのすべての対話を持っています。
4. 背景色とフォント サイズに関しては、広範なパイロットに基づいて次の最適なパラメータを使用します:灰色の背景色 (RGB: 125、 125、 125)、黒のテキストの色 (RGB: 0; 0; 0)、Arial フォントの顔、サイズ 27。
5. 視覚的なプレゼンテーションの遅延やジッタを減らすには、ビデオカードとリフレッシュレートが100 Hz以上のモニタを使用します。
6. 反応時間を測定するには、従来のキーボードと比較して、より優れた人間工学とより正確なタイミングを持つ研究グレードの応答パッドを使用します。

2. 刺激の準備

1. 問題の言語の単語を選択し、その持続時間、字句周波数、および全体的な構造に対して制御されます(より高いレベルの処理に対する表面刺激特性の基本的な影響を避けるために)。ここでは、すべての基本語は 8 つの音素/文字で、CVCCVCVC 構造体を持つ 3 つの音節で構成されています (C は子音で、V は母音です)。
2. 複数のリストを作成するには、単語をセットに分割しますが、その単語は、レンマ、bigram、および/またはトライグラム、音節周波数で統計的に異なってはなりません(例えば、t-testsで測定されます)。これらは言語固有の心理言語データベースから得ることができます。ここでは、ロシア国立コーパスが使用されました(http://www.ruscorpora.ru/en/)。ここでは、1つのセット(改変を通じて)または類似した新しい単語と擬似語を作成するために使用され、別のセットは無関係の制御擬似語を作成するための別のセット、および無関係な制御語として使用されるさらなるセット(図2A)。これにより、それぞれ10個ずつ5セット(合計50個)が入りました。正確な実験要件に従ってこれらの手順を変更します。
3. 新しく取得されたセマンティクスに対するサーフェス フォームの影響を最小限に抑えるには、被験者サンプル全体でセットのバランスを調整し、異なる被験者に対して異なる実験的役割を果たします。
4. 彼らは音源学と音の規則に従い、正投影と音文構造の面で既存の単語に似ているように、新しい単語形式を作成します。
   注:新しい単語が既存の単語との競争に入ることができることを確認するために、現在の手順はGaskellと同僚11、14による一連の実験で開発されたものに基づいており、単語の発症を維持することを目的としました(CVCCV-)は、セット内の異なる項目間でオフセット(-CVC)を回転させながら安定しています。つまり、既存の単語の最初の 2 つの文字を保存し、新しい、以前は使い慣れていない新しい単語形式が作成されるような究極の鳴声を変化させました (例えば、マンダナル*、最後の CVC がリスト内の別の単語から取られたカーディナル、)を使用して新しいアイテムを作成します。
5. 必要に応じて多くの新しい単語形式を作成するために、上記の手順を繰り返します。今回のデモンストレーションでは、学習する新しい単語形式のリストと、同様の未学習の擬似語(例えば、マンダナル*、マンダケット*、3つすべてが、隣人として、学んだ後の語彙競争に入る可能性がある)と同様に、新しい単語形式のリストを作成しました。この類似性を共有しなかった実際の単語と新しい擬似語のさらなる制御リストは、主な刺激(例えば、円形、マスケナル*)との字句競争を生み出さない。ロシア語の例は、理解を容易にするためにキリル文字からラテン文字に変換され、全体で使用されています。.

3. 文脈的意味学習のための文刺激

1. 学習の過程で新しい単語に関連付けるための新しい意味を作成します。これは、被験者の母国語や文化に存在しない、作り上げ、時代遅れ、またはまれなオブジェクトや概念である可能性があります。
2. 新しいセマンティクスの文脈学習のために、Mestrez-Misseと^同僚15によって使用される手順が推奨されます。小説のそれぞれの意味を理解できる状況を記述するいくつかのユニークな文章を作成します(例えば、「中世の昆虫を制御するために、人々はマンダケットを使用しました」)。小説の各単語(ここでは、単語ごとに合計5文)にそのような文のシーケンスを使用し、徐々に、より一般的なものからより具体的なセンテンシャルコンテキストに各新しい概念の意味を明らかにします。
3. 新しい単語を辞書形式で理想的に提示する(例えば、ロシア語では単数形の指名または非難的な場合)、表面の形が異なる文章で異なって屈折しないように(表1)、屈折ルールがない限り学習も必要です。
4. 文章の長さと条件間の単語数を制御し、バランスをとります。ここでは、各文は8語で構成されていました。常に文の末に新しい単語を置く。このような配置は、必要な文脈情報の蓄積を可能にする(さらに、これは、必要に応じて、EEGまたはMEGの設定で、さらなる単語刺激によってマスクされていない誘発された脳応答を記録するために、この設計を実装することを可能にする)。
5. 単語固有の単語固有の単語をサブブロックに表示し、異なる新しい単語に関連する単語をインターリーフまたはランダム化することなく、新しい単語ごとに意味を徐々に明らかにする。
6. サブブロックの順序をサブジェクト グループ全体でランダム化します。視覚的なモダリティを使用する場合は、単語ごとの文のプレゼンテーションをお勧めします。
7. 特定の刺激特性に基づいて刺激間隔を決定し、その便利なプレゼンテーションを可能にします(図2B)。別のサブブロックを追加の間隔で区切り、定期的な休憩を与えるようにしてください。

4. 新しい単語の形と新しい意味の獲得を評価するタスク

注: サーフェスワードフォームと字句セマンティクスの両方の取得と理解の異なるレベルを評価するには、いくつかのタスクを使用します。現在のプロトコルでは、無料のリコール、キュー認識、字句的な決定、セマンティック定義、セマンティックマッチングの5つのタスクが使用されています。タスクは、次に示す順序で適用され、連続するタスク間の持ち越しを減らすために最適化されました。

1. 無料の取り消しタスクでは、各参加者に、準備されたスプレッドシートに入力して覚えることができる限り多くの新しい単語フォームを再現してもらいます。指示は次の通りです:「覚えることができるすべての新しい単語を列に書き留めてください。
2. 認識と字句の決定 (それぞれ 2 番目と 3 番目のタスク) に同じ刺激を含め、同じプレゼンテーション レートを使用します。
   1. これらのタスクには、すべての項目 (新しい単語、新しい競合語から派生した実際の競合語、同じ実際の単語から派生したトレーニングされていない擬似語の競合相手、無関係な制御擬似単語と無関係のコントロール既存の単語) が含まれます。
   2. 認識タスクでは、次の指示を使用します。実験中に単語に遭遇した場合は左手の中指で「1」を押すか、左手の人差し指で「2」を押してください。特定の要件に従って応答コーディング、手、指を変更します。
   3. 字句の決定タスクの指示は次のとおりです。単語が意味をなす場合は左手の中指で「1」を押すか、意味がない場合は左手の人差し指で「2」を押します。必要に応じてこれらを変更します。
3. セマンティック定義タスクを使用して、新しい意味の獲得と意味とサーフェスフォームの対応を推定します。
   1. 参加者に、学習項目のリスト(つまり、学習段階で以前に提示されたもの)のリストを与え、「ここに以前に提示された新しい単語のリストがあります。それぞれを定義し、その定義をスプレッドシートに入力してみてください。
   2. 所定の定義の完全性と正確性を評価するには、独立した専門家に回答を評価し、回答を評価します。専門家間の合意は、例えば、ケンドールの一致係数(W)を使用してテストすることができる。
4. セマンティック マッチング タスクを使用して、新しく学習した単語フォームとその意味を簡略化して明示的にリンクすることにより、セマンティクスの取得を評価します。
   1. 次の指示を使用します: "あなたは単語と3つの定義が提示されます。対応するボタンを押して、単語ごとに 1 つの正しい定義を選択する必要があります。一方の定義だけが正しく、他の 2 つの定義は他の新しい項目に対応します。「いずれも」または「不明」オプションを含む3つのオプション定義に加えて、お勧めします。

5. 手続き

1. tDCS 刺激が、変調を意図した動作タスクの前に置かれることを確認します。
   1. ヴェルニッケのエリア
      注:ウェルニッケの面積に最も適した刺激電極の配置は、EEG^16、17用の拡張国際10-20システムに従ってCP5です。
      1. 電極キャップがない場合にこの場所を特定するには、標準の 10-20 システム手順に従ってください。
      2. イニオンからナシオンまでのテープで頭部を測定し、この距離の真ん中に注意してください。次に、左前立点から右前立点までの距離を測定し、2つの測定値のクロスポイントをマークします。
      3. CP5 位置を見つけるには、左半球のクロスポイントから前立地間の距離の 30% を測定し、マークします。印を付けた点から頭の後ろまでのイオンとナシオンの間の距離の10%を測定します。この点は、アクティブ電極の CP5 位置です (図3)。
   2. ブロカのエリア
      注:ブロカの面積に最も近いのは、10-20システムに従ってF5電極^部18です。
      1. EEGキャップがない場合は、標準的な10-20システム手順に従って、前述のように、イオンナシオンと前置きポイントの間のクロスポイントを見つけてマークします。
      2. F5 位置を見つけるには、頭の前部までの交差点からナシオンまでの距離の 20% を測定します。左半球下の最近マークされたポイントから前立点間の距離の 30% を測定します。この点は、活電極のF5位置に対応しています(図3)。
   3. 右半球の相同位置:ウェルニッケとブロカの領域の右半球の同種の場合は、頭皮の右側下の中線からの距離を測定する場合を除き、上記と同じ手順を使用します。電極の位置は:RHウェルニッケホモローグのCP6とブロカホモローグのF6です。
   4. このサイズは、焦点刺激(より刺激や不快感を引き起こす)と焦点を欠いている大きな電極との間の良好な妥協点として、5 cm x 5 cmを測定するスポンジ電極を使用してください。塗布前に5分間生理生理生理液に電極を浸します。
   5. 脳の他の領域に対する刺激の影響を最小限に抑えるために、参照電極を左の首の基部(同一色の場合は右)側に配置します(図3および図4参照)。5 cm x 5 cm の海綿状も使用します。
      注:電極塗布ゾーンの境界を越えて溶液が広がるのを防ぐためには、特に注意が必要です。周囲の電極領域を乾燥させるために特別な注意が必要です。
   6. 最適な陰極刺激を行うには、1.5 mA電流を15分間使用します。発症時には、電流は30s以上0から1.5 mAに徐々に上昇し、刺激の終わりには30s以上のゼロに戻ります。
   7. アノーダル刺激の場合は、極性が逆転し、アノーダル電極が活性部位に配置される以外は、陰極刺激と同じ手順を使用し、カソードは頭皮領域の外側に位置する基準電極として使用する。
2. シャム刺激
   1. 一般に、上記のようにシャム刺激手順を実行しますが、電流はシャムセッションの開始時と終了時にのみ短時間適用されます。この目的のために、セッションの最初と最後の30sの間に、本プロトコルで使用されるように、最大1.5 mAの三角形の電気パルスを適用する。
3. 主な行動タスク:コンテキストセマンティック学習
   1. 新しい単語の文脈文をランダムな順序で含むセットを提示します。各文を単語ごとのプレゼンテーションで開始します。
   2. この後、完全な理解を確保するために、画面に文全体を表示します。文章全体を読んだ後、参加者に左手の人差し指でスペースバーを押し込みます。文章のプレゼンテーションの期間は 5000 ミリ秒です。
      注: 文のセットは、2000 ミリ秒の 3 つの十字線 ("++") の外観によって互いに分離されます。各単語は 500 ミリ秒で表示され、1 つの文内の単語間の背景色の空の画面は 300 ミリ秒の長さです。
4. 取得評価手順
   1. 学習効果を即座に評価し、一晩の統合段階に続いて、刺激セットを2つのサブセットに分割し、刺激条件に均等に分布し、被験者グループ全体でバランスを取り、評価タスクを実行します。一方のサブセットの学習プロトコルの直後、もう一方のサブセットで24時間の遅延が生じ、その後。
      注:この戦略は、新しい単語19、20の取得のための一晩の記憶統合の重要性を強調する文献に基づいています。
   2. 上記のセクション 3 で説明した順序で開発されたすべてのタスクを使用して、さまざまなレベルの単語/概念の取得を評価します。タスクの順序を選択して、1 つのタスクから次のタスクへの持ち越し効果を最小限に抑えます。
   3. タスク 1 および 4 では、スプレッドシートを使用してサブジェクトで塗りつぶします (手作業またはテキストまたはスプレッドシート プロセッサを使用)。時間的に正確なシミュレーションソフトウェアを使用して他のタスクを提示します。
      注: タスク 2 および 3 の各刺激は 600 ミリ秒で表示され、間刺激間隔 (1400 ミリ秒) に固定クロス ("+") が存在します。図 3を参照してください。その他のタスクでは、応答時間は制限されません。

6. データ分析

1. 連続分布(ウィルコクソン符号付きランク検定やマン・ホイットニーU検定など)または中央値(分布が正規の場合は2サンプルt-test)を比較する異なるテストを使用してデータ分析を実行します。

結果

データは、タスクの特定のセットのために分析されたが、それは、テストの開発されたセットとパラダイムは、様々な心理言語実験に適応することができることを強調する必要があります。結果は、グループ間で非パラメトリックウィルコクソン署名ランクテストとマンホイットニーUテスト(陰極および偽刺激条件)を用いて、精度スコア(正解数)と反応時間(RT)の観点?...

ディスカッション

この結果は、一般的に心理学的研究を行う際に考慮する必要があるいくつかの重要な点を強調し、特に神経言語学tDCS研究を行う。言語コルチスの刺激(Wernickeの領域によってここに例示される)は、行動結果の複雑なパターンを生成します。音声処理を完全に妨害することができるTMS技術(例えば、いわゆる「音声停止」^{プロトコル)21}とは異なり、この方法は、言語処理メカニ?...